NO340512B1

NO340512B1 - Acoustic transmitter including a plurality of piezoelectric plates

Info

Publication number: NO340512B1
Application number: NO20082910A
Authority: NO
Inventors: Medhat W Mickael; Dale Allen Jones
Original assignee: Precision Energy Services Inc
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2017-05-02
Also published as: GB2451165A; BRPI0803415A2; US8279713B2; AU2008202763B2; BRPI0803415B1; GB0811612D0; AU2008202763A1; GB2451165B; US20090022011A1; NO20082910L

Description

Oppfinnelsen angår systemer for å måle en akustisk egenskap ved et materiale som er penetrert av et brønnhull. Især angår oppfinnelsen forbedrede akustiske sendere for bruk med akustiske logge-under-boring (LWD) eller måle-under-boring (MWD) borehulls-sammenstillinger. The invention relates to systems for measuring an acoustic property of a material penetrated by a wellbore. In particular, the invention relates to improved acoustic transmitters for use with acoustic logging-while-drilling (LWD) or measuring-while-drilling (MWD) borehole assemblies.

Akustiske loggesystemer blir rutinemessig brukt i olje- og gassindustrien for å måle formasjonsakustiske egenskaper av jordformasjon penetrert av et brønnhull. Disse egenskapene omfatter kompresjons- og skjæringshastigheter av formasjonen som deretter blir brukt for å bestemme flere formasjonsegenskaper av interesse, for eksempel porøsitet og poretrykk. I tillegg blir akustiske loggesystemer brukt for å produsere akustiske bilder av borehullet hvorfra brønnforhold og andre geologiske trekk kan undersøkes. Andre anvendelser av akustiske loggemålinger omfatter seismisk korrelering og fjellmekanisk bestemmelse. Acoustic logging systems are routinely used in the oil and gas industry to measure formation acoustic properties of soil formation penetrated by a wellbore. These properties include compression and shear rates of the formation which are then used to determine several formation properties of interest, such as porosity and pore pressure. In addition, acoustic logging systems are used to produce acoustic images of the borehole from which well conditions and other geological features can be examined. Other applications of acoustic logging measurements include seismic correlation and rock mechanics determination.

Brønnverktøy eller borehulls-"verktøy" i et akustisk loggesystem omfatter typisk én eller flere kilder av akustisk trykk eller "sendere" og én eller flere akustiske mottagere. Senderne og mottakerne blir typisk anbragt med mellomliggende avstand på verktøyets legeme. Flere sendere og/eller mottagere kan også anbringes i forskjellige radiale posisjoner rundt verktøyet. En del av energien fra de én eller flere sendere propagerer gjennom formasjonsmaterialet som omslutter borehullet og blir deretter påvist av én eller flere mottagere. Mottager responsen blir brukt for å bestemme egenskapene og parametrene av interesse. Well tools or downhole "tools" in an acoustic logging system typically comprise one or more sources of acoustic pressure or "transmitters" and one or more acoustic receivers. The transmitters and receivers are typically placed with an intermediate distance on the body of the tool. Several transmitters and/or receivers can also be placed in different radial positions around the tool. Part of the energy from the one or more transmitters propagates through the formation material that surrounds the borehole and is then detected by one or more receivers. The receiver's response is used to determine the characteristics and parameters of interest.

EP0679910A2 angår akustisk logging under boring. En sender og minst én mottaker er montert på et vektrør for å utføre akustiske undersøkelser av formasjonen som gjennomtrenges av et borehull. Senderen omfatter fortrinnsvis et materiale hvis akustiske respons er mer gunstig langs sin lengdeakse i forhold til den radiale akse, for derved å dirigere den akustiske energi inn i formasjonen i stedet for det omgivende vektrør. EP0679910A2 relates to acoustic logging during drilling. A transmitter and at least one receiver are mounted on a riser to conduct acoustic surveys of the formation penetrated by a borehole. The transmitter preferably comprises a material whose acoustic response is more favorable along its longitudinal axis in relation to the radial axis, thereby directing the acoustic energy into the formation instead of the surrounding neck tube.

Frekvenser som blir brukt i akustiske LWD-verktøy er typisk innenfor området 2 til 20 kiloHertz (KHz). For å forbedre nøyaktigheten og presisjonen av den målte akustiske formasjon, er det ønskelig å bruke én eller flere sendere som har det høyeste akustiske trykk ved den ønskede frekvens. Frequencies used in acoustic LWD tools are typically in the range of 2 to 20 kiloHertz (KHz). To improve the accuracy and precision of the measured acoustic formation, it is desirable to use one or more transmitters that have the highest acoustic pressure at the desired frequency.

Logge-under-boring (LWD) og måle-under-boring (MWD) verktøy har alvorlige begrensninger som kan påvirke energien og frekvensen fra en akustisk sender som er anbragt i veggen av verktøyet og som virker ved en ønsket frekvens. Enkelte av disse begrensningene er omtalt kort i nedenstående avsnitt. Logging-while-drilling (LWD) and measure-while-drilling (MWD) tools have serious limitations that can affect the energy and frequency of an acoustic transmitter placed in the wall of the tool and operating at a desired frequency. Some of these limitations are discussed briefly in the section below.

Hvis senderen omfatter piezoelektriske krystaller, blir det akustiske trykket fra en akustisk sender proporsjonal med senderelementets overflateareal. For å maksimere mengden av energi som når borehullsmiljøet og minimere propageringen av akustisk energi langs verktøyet, er det foretrukket å anbringe senderen så nær som mulig til den ytre periferi av verktøyet. Det er følgelig ønskelig å anbringe senderen innenfor en fordypning i ytterflaten av verktøyveggen. Et LWD-verktøyhus er typisk et vektrør. Av strukturelle årsaker er det nødvendig å begrense dybde-, asimutal- og aksial-dimensjon av en fordypning i verktøyveggen. Disse strukturelle inntrykningsbegrensninger styrer følgelig de maksimale dimensjoner av senderen som kan anbringes i veggen av et LWD- verktøy og begrenser følgelig den akustiske energi fra senderen. If the transmitter comprises piezoelectric crystals, the acoustic pressure from an acoustic transmitter becomes proportional to the surface area of the transmitter element. To maximize the amount of energy reaching the borehole environment and minimize the propagation of acoustic energy along the tool, it is preferred to place the transmitter as close as possible to the outer periphery of the tool. It is therefore desirable to place the transmitter within a recess in the outer surface of the tool wall. An LWD tool housing is typically a weight tube. For structural reasons, it is necessary to limit the depth, azimuthal and axial dimensions of a recess in the tool wall. These structural indentation limitations therefore control the maximum dimensions of the transmitter that can be placed in the wall of an LWD tool and consequently limit the acoustic energy from the transmitter.

Frekvensen av et piezoelektrisk krystallelement er en funksjon av krystallelementets geometri. Sagt på en annen måte bestemmer dimensjonene av en piezoelektrisk krystallsender frekvensen fra senderen. Ut fra beskrivelsen nedenfor, kan en sender som er konfigurert for å optimere den akustiske energi innenfor verktøyets strukturelle begrensninger ikke kunne kureres for å oppnå kravene til det ønskede frekvenssignalet. Omvendt kan et piezoelektrisk krystall som er dimensjonert for å oppnå det ønskede frekvenssignal begrenser den akustiske energi fra senderen. The frequency of a piezoelectric crystal element is a function of the crystal element's geometry. Put another way, the dimensions of a piezoelectric crystal transmitter determine the frequency from the transmitter. From the description below, a transmitter configured to optimize the acoustic energy within the structural limitations of the tool cannot be cured to achieve the requirements of the desired frequency signal. Conversely, a piezoelectric crystal that is dimensioned to achieve the desired frequency signal can limit the acoustic energy from the transmitter.

Kort sagt, må senderen konfigureres for å virke innenfor et verktøy under vanskelige borehullsforhold. Strukturen som kreves for operativt å anbringe senderen for verktøyveggen innebærer i tillegg senderdimensjonale begrensninger som i sin tur påvirker energien og frekvensen fra senderen. In short, the transmitter must be configured to operate within a tool under difficult downhole conditions. The structure required to operatively place the transmitter for the tool wall also involves transmitter dimensional limitations which in turn affect the energy and frequency from the transmitter.

I betraktning av bakgrunnsomtalen, vil det være et behov for en sender med et optimert akustisk trykksignal og med en utgangsfrekvens optimert til å falle innenfor et ønsket frekvensområde og med en fysisk konfigurering som egner seg for å oppfylle strukturbegrensningene i LWD- og MWD-loggesystemer. Considering the background discussion, there will be a need for a transmitter with an optimized acoustic pressure signal and with an output frequency optimized to fall within a desired frequency range and with a physical configuration suitable to meet the structural constraints of LWD and MWD logging systems.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en akustisk sender for loggeverktøy, kjennetegnet ved trekkene som er angitt i patentkrav 1. The present invention provides an acoustic transmitter for logging tools, characterized by the features set out in patent claim 1.

Trekke ved utførelser av foreliggende oppfinnelses akustiske sender ifølge patentkrav 1 er angitt i patentkravene 2-10. Features of embodiments of the present invention's acoustic transmitter according to patent claim 1 are stated in patent claims 2-10.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å emitere trykkpulser i et borehull, kjennetegnet ved trekkene som er angitt i patentkrav 11. The present invention provides a method for emitting pressure pulses in a borehole, characterized by the features stated in patent claim 11.

Trekke ved utførelser av foreliggende oppfinnelses fremgangs ifølge patentkrav 11 er angitt i patentkravene 12-20. Features of embodiments of the present invention's process according to patent claim 11 are indicated in patent claims 12-20.

Detaljer av oppfinnelsen er presentert med senderen utformet som en monopolsender. De grunnleggende idéer ved oppfinnelsen kan også omfattes som en monopol, dipol eller kvadrupolsender ved å endre polariteten og sekvensen av senderens avfyring. Details of the invention are presented with the transmitter designed as a monopole transmitter. The basic ideas of the invention can also be included as a monopole, dipole or quadrupole transmitter by changing the polarity and sequence of the transmitter's firing.

Senderen er konfigurert for å optimere det akustiske trykksignal innenfor et bestemt midtfrekvensområde og samtidig oppfylle de fysiske begrensninger i LWD- og MWD-loggesystemet. Senderen er anbragt på perimeteren av et loggeverktøys hus for å redusere akustiske trykkbølger som overføres direkte langs verktøyhuset og optimere den akustiske energioverføring til borehullsmiljøet. Akustisk energi som propagerer fra senderen og overføres langs loggeverktøyhuset kalles typisk "verktøymodussignal". Loggeverktøyhuset er typisk et effektrør av stål. The transmitter is configured to optimize the acoustic pressure signal within a specific mid-frequency range and at the same time meet the physical limitations of the LWD and MWD logging system. The transmitter is placed on the perimeter of a logging tool housing to reduce acoustic pressure waves that are transmitted directly along the tool housing and optimize the acoustic energy transfer to the borehole environment. Acoustic energy that propagates from the transmitter and is transmitted along the logging tool housing is typically called the "tool mode signal". The logging tool housing is typically a steel power tube.

For beskrivelsen, forutsettes det at de piezoelektriske plater er rektangulære med den største "lengde" og "bredde" definerer platens "hoved"-flate og "tykkelsen" er den minste dimensjon. En piezoelektrisk plate har tre naturlige frekvenser som er proporsjonal med platens tre dimensjoner. En frekvens i det ønskede område for akustisk logging tilsvarer typisk den lengste dimensjon eller "lengde" av platen. Dimensjonen blir justert for å oppnå den ønskede senderfrekvens. Konfigurasjonen av et LWD- eller MWD-loggeverktøyhus er strukturelt begrenset som nevnt kort i bakgrunnsavsnittet av beskrivelsen. Dimensjonene av platene må følgelig være tilstrekkelig begrenset i størrelse for ikke å kompromitere den mekaniske styrken av et akustisk LWD- eller MWD-loggeverktøyhus. Det akustiske trykksignal utgitt av en størrelsesbegrenset enkelt plate i det ønskede frekvensområdet er relativt lav. For å øke det akustiske trykksignal ved et ønsket loggeverktøyfrekvensområde, omfatter den foretrukne sender flere piezoelektriske plater som er koblet elektrisk parallelt og som avfyres samtidig. Polaritetene av platene og ledningsføringen er slik at hver plate ekspanderer eller trykkes sammen i samme retning under den samtidige avfyring. Platene kan rommes i én eller flere platesammenstillinger for derved å danne senderen. Innenfor en platesammenstilling kan platene være føyd sammen, med hovedflatene av alle platene i en platesammenstilling parallelle. De sammenføyde platene tilveiebringer samme akustiske signal med en tynnere platesammenstilling. Ved å øke det akustiske trykksignal ved en ønsket frekvens, vil en platesendersammenstilling med flere plater maksimere presisjonen av de målte akustiske parametere av interesse. De én eller flere platesammenstillinger omfatter en sender som hver er anbragt i et trykkompensert hus, fortrinnsvis fylt med olje. For the sake of description, it is assumed that the piezoelectric plates are rectangular with the largest "length" and "width" defining the "main" surface of the plate and the "thickness" being the smallest dimension. A piezoelectric plate has three natural frequencies which are proportional to the plate's three dimensions. A frequency in the desired range for acoustic logging typically corresponds to the longest dimension or "length" of the plate. The dimension is adjusted to achieve the desired transmitter frequency. The configuration of an LWD or MWD logging tool housing is structurally limited as mentioned briefly in the background section of the description. Accordingly, the dimensions of the plates must be sufficiently limited in size so as not to compromise the mechanical strength of an acoustic LWD or MWD logging tool housing. The acoustic pressure signal emitted by a size-limited single plate in the desired frequency range is relatively low. In order to increase the acoustic pressure signal at a desired logging tool frequency range, the preferred transmitter comprises several piezoelectric plates which are electrically connected in parallel and which are fired simultaneously. The polarities of the plates and wiring are such that each plate expands or compresses in the same direction during simultaneous firing. The plates can be accommodated in one or more plate assemblies to thereby form the transmitter. Within a plate assembly, the plates may be joined together, with the main surfaces of all the plates in a plate assembly parallel. The joined plates provide the same acoustic signal with a thinner plate assembly. By increasing the acoustic pressure signal at a desired frequency, a plate transmitter assembly with multiple plates will maximize the precision of the measured acoustic parameters of interest. The one or more plate assemblies comprise a transmitter, each of which is placed in a pressure-compensated housing, preferably filled with oil.

De piezoelektriske plater kan polariseres langsetter tykkelsen eller lengden av platen. Hvis de polariseres langs tykkelsen, vil den ønskede lengdemodusemisjon oppnås gjennom krymping i lengden etter hvert som tykkelsen ekspanderer, hvilket ikke er effektivt. Hvis platen blir polarisert i lengdemodus, oppnås den ønskede frekvens gjennom den primære lengdemodus. Siden det er vanskelig å polarisere en lang plate langsetter lengden, kan imidlertid en stripet plate brukes for å oppnå større utgangseffektivitet enn ved en tykkelsemodusplate. The piezoelectric plates can be polarized along the thickness or length of the plate. If they are polarized along the thickness, the desired longitudinal mode emission will be achieved through shrinkage in length as the thickness expands, which is not efficient. If the plate is polarized in the longitudinal mode, the desired frequency is obtained through the primary longitudinal mode. However, since it is difficult to polarize a long plate the longer the length, a striped plate can be used to achieve greater output efficiency than with a thickness mode plate.

Ved å bruke en av de geometriske utførelser som nevnt ovenfor, blir en sender som omfatter trykkammeret som rommer en platesammenstilling anbragt i en fordypning i ytterflaten av verktøyhuset. De én eller flere platesammenstillinger blir akustisk koblet til fluidet i brønnhullet. For ytterligere å øke det akustiske trykksignal fra en sender, kan to eller flere platesammenstillinger og samvirkende trykk anbringes i to eller flere fordypninger i verktøyhusets ytterflate. By using one of the geometric designs as mentioned above, a transmitter comprising the pressure chamber containing a plate assembly is placed in a recess in the outer surface of the tool housing. The one or more plate assemblies are acoustically coupled to the fluid in the wellbore. To further increase the acoustic pressure signal from a transmitter, two or more plate assemblies and cooperating pressure can be placed in two or more recesses in the outer surface of the tool housing.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der: Fig. 1 viser oppfinnelsen omfattet som et LWD-akustisk system anbragt i et borehulls-boremiljø; Fig. 2a er et snittriss av en platesammenstillingskonstruksjon som omfatter fem piezoelektriske plater 50 i en side ved side konfigurasjon, The invention shall be described in more detail in the following with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows the invention comprised as an LWD acoustic system placed in a borehole drilling environment; Fig. 2a is a sectional view of a plate assembly structure comprising five piezoelectric plates 50 in a side-by-side configuration,

Fig. 2b er et perspektivriss av en enkelt plate, Fig. 2b is a perspective view of a single plate,

Fig. 3 viser en annen platesammenstillingskonstruksjon 56 som igjen omfatter fem sammenføyde piezoelektriske plater, Fig. 3 shows another plate assembly construction 56 which again comprises five joined piezoelectric plates,

Fig. 4 viser en stripet plate som omfatter flere piezoelektriske segmenter, Fig. 4 shows a striped plate comprising several piezoelectric segments,

Fig. 5 er et snittriss av et loggeverktøysenderseksjon som viser en sender anbragt i verktøyseksj onsveggen, Fig. 6 er et snittriss av sendeseksjonen som viser to sendere anbragt i to aksialt innrettete fordypninger i sendeseksjonens vegg, Fig. 7 viser den aksiale intensitetsfordeling av trykkutgangssignalet fra senderen vist på fig. 5, Fig. 8 er et snittriss av en platesammenstilling med plater forskjøvet aksialt i forhold til hverandre, og Fig. 9 viser den aksiale intensitetsfordeling av trykkutgangssignalet fra senderen ved bruk av sammenstillingen av plater forskjøvet aksialt i forhold til hverandre som vist på fig. 8. Fig. 5 is a sectional view of a logging tool transmitter section showing a transmitter located in the tool section wall, Fig. 6 is a sectional view of the transmitter section showing two transmitters located in two axially aligned depressions in the wall of the transmitter section, Fig. 7 shows the axial intensity distribution of the pressure output signal from the transmitter shown in fig. 5, Fig. 8 is a sectional view of a plate assembly with plates offset axially relative to each other, and Fig. 9 shows the axial intensity distribution of the pressure output signal from the transmitter using the assembly of plates axially offset relative to each other as shown in fig. 8.

Et akustisk LWD-loggeverktøy omfatter typisk én eller flere akustiske sendere og én eller flere akustiske mottagere. An acoustic LWD logging tool typically comprises one or more acoustic transmitters and one or more acoustic receivers.

Fig. 1 viser en enkelt akustisk sender omfattet som et LWD-akustisk system anbragt i et borehulls boremiljø. Detaljer av senderen er presentert med senderen omfattet som en monopolsender. Senderens grunnleggende idéer kan også realiseres som en dipol- eller kvadrupolsender. LWD-borehullinstrumentet eller "verktøy"-komponenten i borehullssammenstillingen er benevnt som helhet ved nummer 10 og omfatter et trykkhus 11 som typisk er et vektrør. Verktøyet 10 er anbragt i brønnhullet 44 definert som borehullsvegger 43 og som penetrerer jordformasjonen 34. En borkrone 12 avsluttes i den nedre ende av verktøyet 10 og en kobling 30 avslutter en øvre ende av verktøyet. Koblingen 30 kobler verktøyet 10 til en nedre ende av borestrengen 32. Den øvre ende av borestrengen avsluttes i en dreiende borerigg 36 på kjent måte og er vist ved 36. Fig. 1 shows a single acoustic transmitter included as an LWD acoustic system placed in a borehole's drilling environment. Details of the transmitter are presented with the transmitter included as a monopole transmitter. The transmitter's basic ideas can also be realized as a dipole or quadrupole transmitter. The LWD downhole instrument or "tool" component of the downhole assembly is designated as a whole by number 10 and comprises a pressure housing 11 which is typically a weight tube. The tool 10 is placed in the wellbore 44 defined as borehole walls 43 and which penetrates the soil formation 34. A drill bit 12 terminates at the lower end of the tool 10 and a coupling 30 terminates an upper end of the tool. The coupling 30 connects the tool 10 to a lower end of the drill string 32. The upper end of the drill string terminates in a rotating drill rig 36 in a known manner and is shown at 36.

På fig. 1 omfatter verktøyet 10 en senderdel 16 og en mottagerdel 20. En akustisk isolasjonsdel 18 som reduserer verktøymodussignalet, skiller senderdelen 16 fra mottagerdelen 20. Mottagerdelen 20 omfatter flere mottakere 22 aksialt anbragt i avstand fra senderdelen 16. Seks mottagere er vist, selv om flere eller færre mottagere kan brukes. Mottagerne 22 er også vist aksialt innrettet selv om den aksiale tilpasning ikke er nødvendig som beskrevet i nedenstående avsnitt. In fig. 1, the tool 10 comprises a transmitter part 16 and a receiver part 20. An acoustic isolation part 18, which reduces the tool mode signal, separates the transmitter part 16 from the receiver part 20. The receiver part 20 comprises several receivers 22 arranged axially at a distance from the transmitter part 16. Six receivers are shown, although more or fewer receivers can be used. The receivers 22 are also shown axially aligned, although the axial adaptation is not necessary as described in the section below.

På fig. 1 omfatter verktøyet 10 andre elementer som kan brukes for å komplettere målingene som foretas med den akustiske senderdel 16 og mottagerdelen 20.1 utførelsene vist på fig. 1, omfatter verktøyet eventuelt en retningsdel 24 som tilveiebringer et sanntidsmål på asimutvinkelen og følgelig tilveiebringer en asimutal orientering av verktøyet 10 i borehullet 44. Verktøyet 10 kan eventuelt omfatte en tilleggsfølerseksjon 14 med én eller flere hjelpefølere som svarer på en rekke borehullsmiljøparametere. Det vil fremgå at bruken av den akustiske sender som beskrevet her, ikke krever målinger fra retningsseksjonen 24 eller fra hjelpefølerseksjonen 14. In fig. 1, the tool 10 comprises other elements that can be used to complement the measurements that are made with the acoustic transmitter part 16 and the receiver part 20.1 the designs shown in fig. 1, the tool optionally comprises a direction part 24 which provides a real-time measure of the azimuth angle and consequently provides an azimuthal orientation of the tool 10 in the borehole 44. The tool 10 may optionally comprise an additional sensor section 14 with one or more auxiliary sensors that respond to a number of borehole environmental parameters. It will be seen that the use of the acoustic transmitter as described here does not require measurements from the direction section 24 or from the auxiliary sensor section 14.

På fig. 1 tilveiebringer en elektronikkseksjon 26 kraft og styrekretser for den akustiske senderdel 16, mottagerdelen 20, den eventuelle retningsseksjonen 24 og eventuelt hjelpefølere i hjelpefølerseksjonen 14. Kraft blir typisk levert av batterier, men kan også leveres av en slamdrevet turbingenerator (ikke vist). Elektronikkseksjonen 26 er operativt koblet til brønnhulltelemetrienheten 28. Data fra elementene i verktøyet 10, enten de behandles nede i brønnen som parametere av interesse, eller i form av "rå" data, blir telemetrert til overflaten 46 av jorden ved hjelp av et passende telemetrisystem. Passende telemetrisystemer omfatter et slampulssystem og et elektromagnetisk telemetrisystem eller et akustisk telemetrisystem som bruker borestrengen 32 som dataledningsrør. De telemetrerte data blir mottatt av et telemetrielement opp i brønnen (ikke vist) som fortrinnsvis er anbragt i en utstyrsmodul 38 på overflaten. Ettersom borehullsammenstillingen som omfatter loggeverktøyet 10 blir sendt langs borehullet 44 av borestrengen 32, blir én eller flere parametere av interesse eller alternativt rådata sendt til registreringsenhet 40. Registreringsenheten 40 tabulerer dataene som en funksjon av dybde i borehullet 44 som de måler. Registreringsenhetens signal 42 er typisk en "logg" av dataene som funksjon av borehullsdybden. Dataene kan alternativt bli registrert i en minneprosessor nedi i brønnen (ikke vist) og deretter lastet ned til utstyrsmodulen 38 når overflaten av verktøyet 10 blir returnert til overflaten 46 under eller etter at boreoperasjonen er fullført. De nedlastede data blir typisk behandlet ytterligere i overflateutstyrsmodulen 38 for å oppnå tilleggsparametere av interesse som ikke kan bestemmes i prosessorenheten i brønnen. In fig. 1, an electronics section 26 provides power and control circuits for the acoustic transmitter part 16, the receiver part 20, the possible direction section 24 and possibly auxiliary sensors in the auxiliary sensor section 14. Power is typically supplied by batteries, but can also be supplied by a mud-driven turbine generator (not shown). The electronics section 26 is operatively connected to the downhole telemetry unit 28. Data from the elements of the tool 10, whether processed downhole as parameters of interest, or in the form of "raw" data, is telemetered to the surface 46 of the earth by means of a suitable telemetry system. Suitable telemetry systems include a slurry pulse system and an electromagnetic telemetry system or an acoustic telemetry system that uses the drill string 32 as a data conduit. The telemetered data is received by a telemetry element up in the well (not shown) which is preferably placed in an equipment module 38 on the surface. As the borehole assembly comprising the logging tool 10 is sent along the borehole 44 by the drill string 32, one or more parameters of interest or alternatively raw data is sent to the recording unit 40. The recording unit 40 tabulates the data as a function of depth in the borehole 44 that it measures. The recording unit's signal 42 is typically a "log" of the data as a function of borehole depth. The data may alternatively be recorded in a downhole memory processor (not shown) and then downloaded to the equipment module 38 when the surface of the tool 10 is returned to the surface 46 during or after the drilling operation is completed. The downloaded data is typically further processed in the surface equipment module 38 to obtain additional parameters of interest that cannot be determined in the processing unit in the well.

Som tidligere nevnt, er verktøyhuset 11 typisk et vektrør av stål med et ledningsrør som borefluidet strømmer gjennom. Elementene av verktøyet 10 vist på fig. 1 blir typisk anbragt i veggen i vektrørets trykkhus 11. As previously mentioned, the tool housing 11 is typically a steel weight tube with a conduit through which the drilling fluid flows. The elements of the tool 10 shown in fig. 1 is typically placed in the wall of the pressure housing 11 of the neck tube.

Utførelser og konstruksjoner av de akustiske sendere som beskrevet her, omfatter alle piezoelektriske plateelementer. En piezoelektrisk plate har tre naturlige frekvenser som er proporsjonale med platens tre dimensjoner. En frekvens i det ønskede området for akustisk logging tilsvarer typisk den lengste dimensjonen eller "lengde" av platen. Denne dimensjonen blir justert for å oppnå det ønskede frekvenssignalet for akustisk logging. Energisignal i form av en trykkpuls er proporsjonal med den piezoelektriske plates hovedflate. Frekvens og akustisk energi i signaler fra en piezoelektrisk plate er følgelig en funksjon av platedimensjoner, polarisering og orientering. For å oppnå optimal frekvens og akustisk energi og fremdeles oppfylle de strukturelle dimensjonale restriksjoner av et loggeverktøy, er det ønskelig å kombinere eller "stable" flere piezoelektriske plateelementer for derved å forme en platesammenstilling innenfor en enkelt, akustisk sender. Elementene av platesammenstillingen blir aktivert samtidig for å avgi energi i en felles retning. Fig. 2a er et snittriss av en platesammenstillingskonstruksjon 51 med piezoelektriske plater 50 polarisert i en "tykkelsemodus" og i en sideliggende konfigurasjon. Sammenstillingen kan inneholde flere eller færre plater, men en platesammenstilling med et ulikt antall plater er foretrukket for enkelhetsskyld ved ledningsføring. Platene 50 er aksialt og asimutalt innrettet. Hver plates polarisering er indikert over platen. Tykkelsemodusplatene er i polariseringen og det fysiske innrettet og elektrisk koblet slik at de responderer samtidig på en spenning tilført platesammenstillingen og sender akustiske trykk i en felles retning. Dette oppnås ved å koble alle positive og negative polariseringsflater til felles elektriske busser henholdsvis 54 og 52. Lengden og tykkelsen av platesammenstillingen 51 indikeres av dimensjonene 53 og 55. Fig. 2b er et perspektivriss av en enkelt tykkelsesmodusplate 50 med lengde 55, bredde 55b og tykkelse 55 c. En normal vektor 5 Oe til hovedflaten 5 Od er vist for fremtidig referanse. Polarisering er vist ved piler. Innenfor sammenhengen av beskrivelsen, er hovedflaten av en platesammenstilling som inneholder platen. Fig. 3 viser en annen platesammenstillingskonstruksjon 56 igjen med fem sammenføyde piezoelektriske plater 50. Platepolariseringen er i tykkelsesmodus og er igjen vist øverst av hver plate. I denne platekonfigurasjonen blir platene 50 sammenføyd med mellomlag av elektrisk ledende materiale 60. Som i den side ved sideliggende utførelse vist på fig. 2a, er platene 50 innrettet og elektrisk koblet slik at de responderer på en tilført spenning og samtidig sender akustisk energi i en felles retning. Platene 50 er også aksialt og asimutalt innrettet. Dette igjen utføres ved å koble alle positive og negative polaris eringsflater til felles elektriske busser henholdsvis 54 og 52. Lengden 55 og platesammenstillingen 56 er den samme som for sammenstillingen 51 vist på fig. 2a. Tykkelsen 53a av sammenstillingen 56 har imidlertid blitt redusert ved å bruke sammenføyningsarrangementet. Den reduserte tykkelse er fordelaktig for å kunne oppfylle de tidligere nevnte fysiske begrensninger fra LWD-applikasj onene. Designs and constructions of the acoustic transmitters as described here include all piezoelectric plate elements. A piezoelectric plate has three natural frequencies that are proportional to the plate's three dimensions. A frequency in the desired range for acoustic logging typically corresponds to the longest dimension or "length" of the plate. This dimension is adjusted to obtain the desired frequency signal for acoustic logging. Energy signal in the form of a pressure pulse is proportional to the main surface of the piezoelectric plate. Frequency and acoustic energy in signals from a piezoelectric plate are therefore a function of plate dimensions, polarization and orientation. In order to achieve optimal frequency and acoustic energy and still meet the structural dimensional restrictions of a logging tool, it is desirable to combine or "stack" several piezoelectric plate elements to thereby form a plate assembly within a single, acoustic transmitter. The elements of the plate assembly are activated simultaneously to emit energy in a common direction. Fig. 2a is a sectional view of a plate assembly structure 51 with piezoelectric plates 50 polarized in a "thickness mode" and in a side-by-side configuration. The assembly may contain more or fewer plates, but a plate assembly with an unequal number of plates is preferred for simplicity when wiring. The plates 50 are axially and azimuthally aligned. Each plate's polarization is indicated above the plate. The thickness mode plates are polarized and physically aligned and electrically connected so that they respond simultaneously to a voltage applied to the plate assembly and transmit acoustic pressures in a common direction. This is achieved by connecting all positive and negative polarizing surfaces to common electrical buses 54 and 52 respectively. The length and thickness of plate assembly 51 is indicated by dimensions 53 and 55. Fig. 2b is a perspective view of a single thickness mode plate 50 having length 55, width 55b and thickness 55 c. A normal vector 5 Oe to the principal face 5 Od is shown for future reference. Polarization is shown by arrows. Within the context of the description, the main surface of a plate assembly is that which contains the plate. Fig. 3 shows another plate assembly construction 56 again with five joined piezoelectric plates 50. The plate polarization is in thickness mode and is again shown at the top of each plate. In this plate configuration, the plates 50 are joined with intermediate layers of electrically conductive material 60. As in the side-by-side design shown in fig. 2a, the plates 50 are aligned and electrically connected so that they respond to an applied voltage and at the same time transmit acoustic energy in a common direction. The plates 50 are also axially and azimuthally aligned. This in turn is carried out by connecting all positive and negative polarization surfaces to common electrical buses 54 and 52 respectively. The length 55 and the plate assembly 56 are the same as for the assembly 51 shown in fig. 2a. However, the thickness 53a of the assembly 56 has been reduced by using the joining arrangement. The reduced thickness is advantageous to be able to meet the previously mentioned physical limitations from the LWD applications.

Det er fordelaktig å bruke senderen i et bestemt midtfrekvensområde som egner seg for akustiske loggeapplikasjoner. En plate kan polariseres langs tykkelsen eller langs lengden hvor "lengde" og "tykkelse" er som definert i fig. 2b. Hvis den polariseres langs tykkelsen 55c, blir den ønskede lengdemodusfrekvens oppnådd gjennom krymping i platelengden 55 ettersom tykkelsen utvides. Dette er ikke en effektiv metode for å oppnå lengdemodussignal. Hvis platen polariseres i lengdemodus, blir den ønskede frekvens oppnådd gjennom den primære lengdemodus. Siden det er relativt vanskelig å polarisere en piezoelektrisk plate langsetter dens lengde 55, kan imidlertid en "stripet" plate brukes for å oppnå høyere effektivitet enn det som oppnås med en tykkelsesmodusplate. It is advantageous to use the transmitter in a specific mid-frequency range suitable for acoustic logging applications. A plate can be polarized along the thickness or along the length where "length" and "thickness" are as defined in fig. 2b. If it is polarized along the thickness 55c, the desired longitudinal mode frequency is achieved through shrinkage in the plate length 55 as the thickness expands. This is not an efficient method of obtaining longitudinal mode signal. If the plate is polarized in the longitudinal mode, the desired frequency is obtained through the primary longitudinal mode. However, since it is relatively difficult to polarize a piezoelectric plate along its length 55, a "striped" plate can be used to achieve higher efficiency than that obtained with a thickness mode plate.

En stripet plate-konstruksjon 62 er vist på fig. 4 og omfatter flere piezoelektriske segmenter 64 eller piezoelektriske "striper" anbragt på et massivt stykke av den piezoelektriske plate 67 og som separeres av et elektrisk ledende materiale 65. Polariseringen av hvert segment 64 er vist. Platene 50 er innrettet og elektrisk forbundet slik at de responderer samtidig på en spenning som tilføres platesammenstillingen og emiterer akustisk energi i en felles retning. Dette igjen oppnås ved å koble alle positive og negative polariseringsflater til felles elektriske busser 68 og 70. Utgangsfrekvensen kan justeres ved å variere dimensjonene av de piezoelektriske segmenter 64. A striped plate construction 62 is shown in FIG. 4 and comprises several piezoelectric segments 64 or piezoelectric "strips" placed on a solid piece of the piezoelectric plate 67 and which are separated by an electrically conductive material 65. The polarization of each segment 64 is shown. The plates 50 are aligned and electrically connected so that they respond simultaneously to a voltage applied to the plate assembly and emit acoustic energy in a common direction. This in turn is achieved by connecting all positive and negative polarization surfaces to common electrical buses 68 and 70. The output frequency can be adjusted by varying the dimensions of the piezoelectric segments 64.

Som tidligere nevnt kan en stripet plate 62 som vist på fig. 4 brukes for å oppnå en større utgangseffektivitet enn ved en tykkelsesmodusplate av den type som er vist på fig. 2b. Selv om dette er fordelaktig, kan den stripete plate 62 ha enkelte ulemper sammenlignet med en massiv tykkelsesmodusplate. Utgangen fra en tykkelsesmodusplate 50 er omvendt proporsjonal med dens tykkelse mens signalet fra en stripeplate 62 er en funksjon av stripetykkelse og antallet striper. Hvis tykkelsen av hver plate minimeres for å utnytte flere plater i en enkelt platesammenstilling, kan tykkelsesmodusplatene produsere et høyere signal enn stripete plater for en gitt sammenstillingstykkelse. Videre ble det lettere å sammenføye massive plater av den type som er vist på fig. 2b og 3 langs flatene enn sammenføye stripete plater 62 langs de piezoelektriske striper 64 (fig. 4). Endelig, står signalretningen av en tykkelsesmodusplate 50 vinkelrett på flaten 5 Od av platen som kan være mer egnet for LWD-applikasj oner. Kort sagt, gir plategeometri og polariseringer enkelte fordeler og ulemper som må veies under vurdering av de totale ytelsesformål til den akustiske sender. As previously mentioned, a striped plate 62 as shown in fig. 4 is used to achieve a greater output efficiency than with a thickness mode plate of the type shown in fig. 2b. While this is advantageous, the striped plate 62 may have some disadvantages compared to a solid thickness mode plate. The output from a thickness mode plate 50 is inversely proportional to its thickness while the signal from a stripe plate 62 is a function of stripe thickness and the number of stripes. If the thickness of each plate is minimized to utilize multiple plates in a single plate assembly, the thickness mode plates can produce a higher signal than striped plates for a given plate assembly thickness. Furthermore, it became easier to join massive plates of the type shown in fig. 2b and 3 along the surfaces than joining striped plates 62 along the piezoelectric strips 64 (fig. 4). Finally, the signal direction of a thickness mode plate 50 is perpendicular to the surface 5 OD of the plate which may be more suitable for LWD applications. In short, plate geometry and polarizations provide certain advantages and disadvantages that must be weighed when considering the overall performance objectives of the acoustic transmitter.

Fig. 5 er et snitt av sendedelen 16 (se fig. 1) vist med en sender 86 anbragt deri. Senderen 86 omfatter en platesammenstilling 88 med flere piezoelektriske plater i sideliggende, sammenføyde eller stripete konstruksjoner som tidligere nevnt. De piezoelektriske plater innenfor den viste platesammenstilling 88, er aksialt og asimutalt innrettet. Platesammenstillingen 88 er rommet i et trykkhus 84 som fortrinnsvis er fylt med olje og som er trykk- og temperaturbalansert. De flere plater i senderen 86 er anbragt i en fordypning (som definert av overflaten 83) i ytterflaten av veggen 89 av sendedelen 16 av verktøyet 10. Et deksel 90 beskytter trykkhuset mot abrasjon som møtes i borehullsmiljøet. Senderen 86 er innrettet slik at radiusen av verktøyet 10 sammenfaller med normalen av platesammenstillingen 88 som er den samme som normalen for en gitt plate (se 50e på fig. 2b). Åpninger 85a og 85b blir typisk fylt med borehullsfluid som akustisk kobler senderen 86 til borehullsmiljøet. Den aksiale midtlinjen av senderen er vist ved 96 og vil bli henvist til i avsnittene nedenfor. Fig. 5 is a section of the transmitter part 16 (see Fig. 1) shown with a transmitter 86 placed therein. The transmitter 86 comprises a plate assembly 88 with several piezoelectric plates in side-lying, joined or striped constructions as previously mentioned. The piezoelectric plates within the plate assembly 88 shown are axially and azimuthally aligned. The plate assembly 88 is the space in a pressure housing 84 which is preferably filled with oil and which is pressure and temperature balanced. The several plates in the transmitter 86 are placed in a recess (as defined by the surface 83) in the outer surface of the wall 89 of the transmitter part 16 of the tool 10. A cover 90 protects the pressure housing from abrasion encountered in the borehole environment. The transmitter 86 is arranged so that the radius of the tool 10 coincides with the normal of the plate assembly 88 which is the same as the normal of a given plate (see 50e in Fig. 2b). Openings 85a and 85b are typically filled with borehole fluid which acoustically couples the transmitter 86 to the borehole environment. The axial centerline of the transmitter is shown at 96 and will be referred to in the paragraphs below.

På fig. 5 er sendedelen 16 av et typisk LWD-verktøy 10 typisk en vektstang av stål som omfatter en vegg 89 og et ledningsrør 87 gjennom hvilket borefluidet strømmer. Sendedelen 16 har en ytterdiameter på omtrent 17,8 cm og en veggtykkelse på mindre enn 7,6 cm. Av strukturelle årsaker er det nødvendig å begrense dybden av fordypningene i huset fra senderen 86 til en dybde på mindre enn halvparten av veggtykkelsen for å begrense asimutbuen av fordypningen til 5,1 cm eller mindre og å begrense den aksiale lengde av fordypningen til 15,2 cm eller mindre. Disse strukturelt baserte fordypningsbegrensninger setter de maksimale dimensjoner av en sender som kan anbringes innenfor veggen av et LWD-verktøy og følgelig påvise energi- og frekvenssignalene fra senderen 86. Sagt på en annen måte, påviser de fysiske begrensninger på fordypningshuset til senderen 86 frekvensen og energien fra senderen. In fig. 5, the sending part 16 of a typical LWD tool 10 is typically a steel bar that includes a wall 89 and a conduit 87 through which the drilling fluid flows. The transmitter part 16 has an outer diameter of approximately 17.8 cm and a wall thickness of less than 7.6 cm. For structural reasons, it is necessary to limit the depth of the recesses in the housing from the transmitter 86 to a depth of less than half the wall thickness in order to limit the azimuth arc of the recess to 5.1 cm or less and to limit the axial length of the recess to 15.2 cm or less. These structurally based recess limitations set the maximum dimensions of a transmitter that can be placed within the wall of an LWD tool and consequently detect the energy and frequency signals from the transmitter 86. In other words, they impose physical limitations on the recess housing of the transmitter 86 frequency and energy from the transmitter.

Platesammenstillingen 88 er anbragt i fordypningen i en ytterflate av loggeverktøyet, slik at radiusen av loggeverktøyet vesentlig og vinkelrett på en hovedflate av platesammenstillingen. Som tidligere nevnt blir enkeltplater polarisert og konfigurert for å sende en trykkpuls i en felles retning normalt på hovedflaten av platesammenstillingen etter å ha blitt tilført en spenning til platesammenstillingen. Avhengig av det piezoelektriske materialet, omfatter en platesammenstilling flere plater som hver har en lengde på 11,4 cm og en naturlig frekvens på 11-13 KHz i lengdemodus, hvilket er ideelt for monopolisk akustiske loggemålinger. Tykkelsesmodusfrekvensen av en plate med tykkelse 0,32 cm, er i megahertz området og vil ikke penetrere langt fra senderen 86.1 et LWD-verktøy i et borehullsmiljø, vil følgelig tykkelsesmodusen av platen i platesammenstillingen ikke ha noen virkning på målingen foretatt fra lengdemodusen. En plate med en bredde på 3,8 cm har en frekvens i området 32 til 38 KHz i breddemodus. For at denne frekvensen ikke skal forstyrre lengdemodusfrekvensen, bør bredden av platene i en platesammenstilling holdes til et maksimum på 3,8 cm. The plate assembly 88 is placed in the recess in an outer surface of the logging tool, so that the radius of the logging tool is substantially and perpendicular to a main surface of the plate assembly. As previously mentioned, individual plates are polarized and configured to transmit a pressure pulse in a common direction normal to the major surface of the plate assembly after a voltage has been applied to the plate assembly. Depending on the piezoelectric material, a plate assembly comprises several plates each having a length of 11.4 cm and a natural frequency of 11-13 KHz in longitudinal mode, which is ideal for monopole acoustic logging measurements. The thickness mode frequency of a plate with a thickness of 0.32 cm is in the megahertz range and will not penetrate far from the transmitter 86.1 an LWD tool in a borehole environment, therefore the thickness mode of the plate in the plate assembly will have no effect on the measurement made from the length mode. A plate with a width of 3.8 cm has a frequency in the range of 32 to 38 KHz in width mode. In order for this frequency not to interfere with the longitudinal mode frequency, the width of the plates in a plate assembly should be kept to a maximum of 3.8 cm.

Trykksignalet fra en enkelt 4,5 tommer (lengde) x 1,25 tommer (bredde) x 0,125 tommer (tykk) piezoelektrisk plate har funnet å være omtrent 200 Pascal ved en inngangsspenning på ±500 volt ved 1,0 meter. På fig. 5 er det ønskede trykksignal fra en sender 86 brukt i et akustisk loggeverktøy 10 i området 1000-2000 Pascal. Følgelig produserer en platesammenstilling 88 med åtte til ti plater trykksignal i det ønskede området for loggeapplikasjoner. Et ulikt antall med ni plater vil være foretrukket for den tidligere nevnte ledningsføring. Når det gjelder de enkelte platedimensjoner ovenfor som kreves for ønsket frekvensutgang, omfatter platesammenstillingen 88 en stabel med ni plater som krever en dybdefordypning som overskrider de nevnte fysiske begrensninger for et typisk vektrør. The pressure signal from a single 4.5 inch (length) x 1.25 inch (width) x 0.125 inch (thick) piezoelectric plate has been found to be approximately 200 Pascals at an input voltage of ±500 volts at 1.0 meters. In fig. 5, the desired pressure signal from a transmitter 86 used in an acoustic logging tool 10 is in the range 1000-2000 Pascal. Accordingly, a plate assembly 88 of eight to ten plates produces a pressure signal in the desired range for logging applications. An odd number of nine plates would be preferred for the previously mentioned wiring. In terms of the individual plate dimensions above required for the desired frequency output, the plate assembly 88 comprises a stack of nine plates requiring a depth recess that exceeds the aforementioned physical limitations of a typical neck tube.

Det ønskede monopoltrykkpulssignal ved den ønskede bestemte frekvens kan oppnås ved å bruke to sendere som hver omfatter platesammenstillinger med fortrinnsvis fem plater med dimensjoner som definert ovenfor. Fig. 5 er et snitt av senderdelen 16 og viser to sendere 86a og 86b anbragt i to aksialt innrettete dedikerte fordypninger 83a og 83b i ytterflaten. Begge sendere drives samtidig, slik at alle ti plater emiterer akustiske trykkpulser av samme polaritet i det omsluttende borehullsmiljø. Siden hver sender fortrinnsvis omfatter bare fem plater, behøver dybdene av fordypningene 83a og 83b ikke å overskride de fysiske begrensninger av vektrøret. Begge senderne 86a og 86b er beskyttet mot abrasjon av dekselet 90a og 90b og er akustisk koblet til borehullsmiljøet gjennom åpninger av den type som er vist ved 85a og 85b på fig. 5. Gitt nærheten av asimutseparering mellom de to sendere 86a og86b, responderer de to sendere som en monopolsender og ankomsten av akustisk energi ved mottagerdelen 20 blir ikke overdrevet utvidet eller faseforskjøvet. The desired monopole pressure pulse signal at the desired particular frequency can be obtained by using two transmitters each comprising plate assemblies of preferably five plates with dimensions as defined above. Fig. 5 is a section of the transmitter part 16 and shows two transmitters 86a and 86b arranged in two axially aligned dedicated recesses 83a and 83b in the outer surface. Both transmitters are operated simultaneously, so that all ten plates emit acoustic pressure pulses of the same polarity in the surrounding borehole environment. Since each transmitter preferably comprises only five plates, the depths of the recesses 83a and 83b need not exceed the physical limitations of the neck tube. Both transmitters 86a and 86b are protected from abrasion by casing 90a and 90b and are acoustically coupled to the borehole environment through openings of the type shown at 85a and 85b in FIG. 5. Given the close azimuth separation between the two transmitters 86a and 86b, the two transmitters respond as a monopole transmitter and the arrival of acoustic energy at the receiver portion 20 is not excessively broadened or phase shifted.

Fig. 7 viser den aksiale fordeling av intensiteten av trykkutgangssignalet fra senderkonstruksjonen 86 vist på fig. 5. Retningen av trykksignalet skjer fra lengdemodusen av en platesammenstilling som omfatter flere plater med 10,2 cm lengde innrettet langs settaksen som er hovedaksen av sendedelen 16 av verktøyet 10. Platene er rettet inn aksialt og asimutalt. Kurven 92 representerer akustisk trykkintensitet som funksjon av posisjonen langs Z-aksen. Den aksiale midtlinje 96 definerer det aksiale senter av senderen 86 vist på fig. 5. Det fins to fremtredende retningskarakteristikker 84a og 84b som tilsvarer henholdsvis topp og bunn av senderen 86. Dette kan føre til faseforskyvning og signalforvrengning siden bølger sendt fra hver ende av senderen 86 ankommer mottagerne 22 av mottagerdelen 20 (se fig. 1) på litt forskjellig tidspunkt. I praksis blir imidlertid signalet fra senderen 86 " uttværet" når den monteres i veggen 89 av senderdelen 16. Hvis den aksiale dimensjon av en platesammenstilling 88 som kan brukes i loggeverktøyet har en maksimal lengde på 12,7 cm, blir effektene fra de to retningskarakteristiske trykkemisjonsmønstere ubetydelig i formasjoner med rask og middels hastighet som penetreres av borehullet. Den to-retningskarakteristiske trykkemisjon kan imidlertid merkes i langsomme formasjoner. Det skal bemerkes at retningskarakteristikkene sammenfaller omtrent aksialt med åpningen 85a og 85b på fig. 5. To-retningskarakteristikken kan forårsake vanskeligheter ved at energien fra hver av karakteristikkene ankommer på forskjellige tidspunkt til mottagerdelen 20 og fører derved til en faseforskyvning (fig. 1). To-retningskarakteristikken i trykkstrålemønsteret fra senderen 86 er ikke så effektivt som strålemønsteret fra den hypotetiske kompresjonssender som gir bare en enkelt-karakteristikk. Senderen 86 som omfatter fortrinnsvis flere plater, kan imidlertid fremdeles brukes som en akustisk kilde så lenge toppen og bunnen av senderen blir akustisk koblet gjennom åpningen 85a og 85b til borehullsfluidet slik at trykkbølgen kan propagere inn i formasjonen. Den aksiale utstrekning av hver åpning 85a og 85b bør være tilstrekkelig lang for å kunne omfatte den største del av signalet i de to karakteristikkene 84a og 84b. Det har blitt konstatert at åpninger med en aksial utstrekning på omtrent 3,8 cm og på grunn av platesammenstillingen 88 oppfyller dette kriterium. Fig. 7 shows the axial distribution of the intensity of the pressure output signal from the transmitter structure 86 shown in Fig. 5. The direction of the pressure signal occurs from the longitudinal mode of a plate assembly comprising several plates with a length of 10.2 cm aligned along the set axis which is the main axis of the sending part 16 of the tool 10. The plates are aligned axially and azimuthally. Curve 92 represents acoustic pressure intensity as a function of position along the Z axis. The axial centerline 96 defines the axial center of the transmitter 86 shown in FIG. 5. There are two prominent directional characteristics 84a and 84b which correspond respectively to the top and bottom of the transmitter 86. This can lead to phase shift and signal distortion since waves sent from each end of the transmitter 86 arrive at the receivers 22 of the receiver part 20 (see Fig. 1) in a little different time. In practice, however, the signal from the transmitter 86 is "smeared" when it is mounted in the wall 89 of the transmitter part 16. If the axial dimension of a plate assembly 88 that can be used in the logging tool has a maximum length of 12.7 cm, the effects of the two directional characteristics pressure emission patterns negligible in fast and medium velocity formations penetrated by the borehole. However, the two-way characteristic pressure emission can be felt in slow formations. It should be noted that the directional characteristics coincide approximately axially with the openings 85a and 85b of FIG. 5. The two-way characteristic can cause difficulties in that the energy from each of the characteristics arrives at different times at the receiver part 20 and thereby leads to a phase shift (Fig. 1). The bi-directional characteristic of the pressure beam pattern from transmitter 86 is not as effective as the beam pattern of the hypothetical compression transmitter which provides only a single characteristic. However, the transmitter 86, which preferably comprises several plates, can still be used as an acoustic source as long as the top and bottom of the transmitter are acoustically coupled through the opening 85a and 85b to the borehole fluid so that the pressure wave can propagate into the formation. The axial extent of each opening 85a and 85b should be sufficiently long to be able to include the largest part of the signal in the two characteristics 84a and 84b. Openings with an axial extent of approximately 3.8 cm and due to the plate assembly 88 have been found to meet this criterion.

Et ideelt sendersignal vil være en enkelt-karakteristikk som fortrinnsvis er sentrert ved det aksiale senter 96 av senderen. De negative virkningene av dobbelt-karakteristikk-signalet kan minimeres ved å omfordele signalet fra en sender 86 til å nærme seg en enkelt-karakteristikk. Tre teknikker for signalomfordeling er nevnt nedenfor. An ideal transmitter signal will be a single characteristic preferably centered at the axial center 96 of the transmitter. The negative effects of the dual-characteristic signal can be minimized by redistributing the signal from a transmitter 86 to approach a single-characteristic. Three techniques for signal redistribution are mentioned below.

En første teknikk for å omfordele dobbelt-karakteristikktrykkutgangssignalet vil være å anbringe hele senderen 86 i en tung masse for derved å utvide trykksignalmønsteret ved senderen. Ved å omslutte senderen 86 i et tungt masselegeme, vil signalet uttværes selv i langsomme formasjoner. Imidlertid kan huset forårsake frekvensendringer og kan dempe signalet. Følgelig blir materialet og tykkelse av huset valgt slik at signaldempingen og frekvensendringene holdes på et minimum. A first technique for redistributing the dual-characteristic pressure output signal would be to place the entire transmitter 86 in a heavy mass, thereby expanding the pressure signal pattern at the transmitter. By encasing the transmitter 86 in a heavy mass body, the signal will be smeared even in slow formations. However, the housing may cause frequency changes and may attenuate the signal. Consequently, the material and thickness of the housing are chosen so that signal attenuation and frequency changes are kept to a minimum.

En andre teknikk for vesentlig å eliminere dobbelt-karakteristikktrykksignalet er å bruke en sender som omfatter flere asimutalt innrettete, men aksialt forskjøvet i forhold til hverandre piezoelektriske plater. Konseptet med platene forskjøvet i forhold til hverandre er vist i snitt på fig. 8 og viser en platesammenstilling 98 som omfatter seks plater 50 hvor hver plate har en lengde på 10,2 cm. Platene 50 er aksialt forskjøvet i forhold til hverandre i et trykkhus (ikke vist) i 1,3 cm inkrementer. Den aksiale midtlinje av sammenstillingen av plater forskjøvet i forhold til hverandre 98 er vist ved 95. Fig. 9 viser intensiteten av det aksiale trykksignal fra senderen som bruker sammenstillingen av plater forskjøvet i forhold til hverandre 98. Igjen er retningen av trykksignalet fra lengdemodus av platesammenstillingen innrettet langs Z-aksen som er hovedaksen til sendedelen 16 av verktøyet 10. Kurve 99 representerer akustisk trykkintensitet som funksjon av posisjonen langs Z-aksen. Den aksiale midtlinje 95 definerer det aksiale senter av senderen vist på fig. 8. Responskurven 99 til sammenstillingen av plater forskjøvet i forhold til hverandre 98 har en meget glattere form enn den aksialt innrettete platestilling vist på fig. 7. Responskurven 99 antar en eksponentiell dempning i den radiale retning fra hver plate 50. Som et resultat faller midten 95a av responskurven 99 litt under den aksiale midtlinjen 95. Fraværet av den doble responskurve eliminerer noe av det tilhørende problem som nevnt ovenfor. Forskyvningen av platene i forhold til hverandre har imidlertid øket lengden av senderen med 5,1 cm og krever derfor en aksialt lengre fordypning for å motta senderen og bevirker i sin tur flere fysiske begrensninger på loggeverktøyets hus. Som i mange logge-metoder, må et kompromiss mellom sendelengden og signalfordelingen foretas for å oppnå den beste måling for en bestemt verktøykonstruksjon. A second technique to substantially eliminate the double-characteristic pressure signal is to use a transmitter comprising several azimuthally aligned but axially offset relative to each other piezoelectric plates. The concept with the plates offset in relation to each other is shown in section in fig. 8 and shows a plate assembly 98 comprising six plates 50 where each plate has a length of 10.2 cm. The plates 50 are axially offset relative to each other in a pressure housing (not shown) in 1.3 cm increments. The axial centerline of the offset plate assembly 98 is shown at 95. Fig. 9 shows the intensity of the axial pressure signal from the transmitter using the offset plate assembly 98. Again, the direction of the pressure signal is from the longitudinal mode of the plate assembly aligned along the Z-axis which is the main axis of the transmitting part 16 of the tool 10. Curve 99 represents acoustic pressure intensity as a function of the position along the Z-axis. The axial centerline 95 defines the axial center of the transmitter shown in FIG. 8. The response curve 99 for the assembly of plates offset relative to each other 98 has a much smoother shape than the axially aligned plate position shown in fig. 7. The response curve 99 assumes an exponential damping in the radial direction from each plate 50. As a result, the center 95a of the response curve 99 falls slightly below the axial centerline 95. The absence of the double response curve eliminates some of the associated problem noted above. However, the displacement of the plates relative to each other has increased the length of the transmitter by 5.1 cm and therefore requires an axially longer recess to receive the transmitter and in turn causes more physical limitations on the housing of the logging tool. As in many logging methods, a compromise between transmit length and signal distribution must be made to achieve the best measurement for a particular tool design.

En tredje teknikk er å plassere skjermer over de to retningskarakteristikker, som fokuserer signalet til midten av platen. Eksperimentelle målinger og numerisk modellering viser at skjermingen av toppen og bunnen med en plate på 2,5 cm av en 5,1 cm lang plate fører til fokusering av trykkbølge mot senterlinjen av platen. A third technique is to place screens over the two directional characteristics, which focus the signal to the center of the plate. Experimental measurements and numerical modeling show that the shielding of the top and bottom with a 2.5 cm plate by a 5.1 cm long plate leads to the focusing of the pressure wave towards the center line of the plate.

Som nevnt tidligere er senderen beskrevet som en monopolsender. Det vil imidlertid fremgå at to sendersammenstillinger kan anbringes asimutalt i vesentlig 180° sentere i egne fordypninger i ytterflaten av veggen 89 av senderdelen 16. Sendersammen stillingene er fortrinnsvis aksialt innrettet og brukt for å generere dipolakustiske pulser i borehullsmiljøet. Likeledes kan fire sendersammenstillinger asimutanbringes i vesentlig 90° sentere i egne fordypninger i ytteflaten av veggen 89 i senderdelen 16. Sendersammenstillingene er fortrinnsvis tilpasset og brukes for å generere kvadrupol akustiske pulser i borehullsmiljø. Rommet som en dipol- eller kvadrupolsendedel, blir sendersammenstillingene fortrinnsvis rettet inn aksialt. Videre blir responsene fra pulsene generert av hver asimutsendersammenstilling fortrinnsvis detektert med flere mottagere 22 (se fig. 1) som er aksialt anbragt i avstand fra og rettet inn asimutalt med den sendersammenstillingen. As mentioned earlier, the transmitter is described as a monopole transmitter. However, it will be apparent that two transmitter assemblies can be placed azimuthally in substantially 180° centers in separate recesses in the outer surface of the wall 89 of the transmitter part 16. The transmitter assemblies are preferably axially aligned and used to generate dipole acoustic pulses in the borehole environment. Likewise, four transmitter assemblies can be placed azimuthally in substantially 90° centers in separate recesses in the outer surface of the wall 89 in the transmitter part 16. The transmitter assemblies are preferably adapted and used to generate quadrupole acoustic pulses in a borehole environment. Spaced as a dipole or quadrupole transmitter, the transmitter assemblies are preferably aligned axially. Furthermore, the responses from the pulses generated by each azimuth transmitter assembly are preferably detected with several receivers 22 (see Fig. 1) which are axially spaced from and aligned azimuthally with that transmitter assembly.

Claims

1. Acoustic transmitter (86) for logging tool (10) comprising a plate assembly (88, 98) with several piezoelectric plates (50, 62), characterized in that: (a) plate assembly is placed in a recess (83a, 83b) in an outer surface that defines a wall (89) of the logging tool, such that the radius of the logging tool is substantially perpendicular to a major surface of the plate assembly and such that the radius of the logging tool is substantially perpendicular to a major surface (5 Od) of each plate, (b) the plates are polarized and physically configured and electrically to emit a pressure pulse from each plate in a common direction perpendicular to the main surface by applying a voltage to the plurality of plates, and (c) the plates are offset axially relative to each other and aligned azimuthally in the plate assembly.

2. Transmitter according to claim 1, characterized in that it further comprises several plate assemblies, where each plate assembly is aligned axially and azimuthally shifted and each is placed in a separate recess in the outer surface which defines the wall (89) of the logging tool.

3. Transmitter according to claim 2, characterized in that it comprises two plate assemblies which are azimuthally shifted by substantially 180 degrees and which act to generate dipole acoustic pulses.

4. Transmitter according to claim 2, characterized in that it comprises four plate assemblies which are azimuthally shifted substantially by 90 degrees and act to generate quadrupole acoustic pulses.

5. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plate assembly is placed in a pressure housing (84) which is placed in the recess.

6. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plates are aligned axially and azimuthally in the plate assembly.

7. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plates are joined with intermediate layers of conductive material (60).

8. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plates are dimensioned to achieve a specific mid-frequency signal.

9. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plates are polarized in a thickness mode.

10. Transmitter according to claim 1, characterized in that the plates are configured as striped plates (62).

11. Method for emitting pressure pulses in a borehole, characterized in that the method comprises: (a) placing in the borehole a logging tool (10) comprising a plate assembly (88, 98) with several piezoelectric plates (50, 62), (b) placing each plate in a wall (89) of the logging tool such that the radius of the logging tool is substantially normal to a major face of the plate assembly and substantially perpendicular to a major face (50d) of each plate, (c) polarizing and physically and electrically configuring the plates to emit pressure pulses in a common direction normal to the principal surfaces upon application of a stress to the several plates, and (d) axially displacing relative to each other and azimuthally aligning the plates in the plate assembly.

12. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises placing several plate assemblies in the wall of the logging tool, where each plate assembly is aligned axially and shifted azimuthally and each is placed in a separate recess in the outer surface which forms the wall (89) of the logging tool.

13. Method according to claim 12, characterized in that it further comprises: (a) placing two plate assemblies in the wall of the logging tool, where the plate assemblies are offset azimuthally by substantially 180 degrees, and (b) using the two plate assemblies to generate a dipole acoustic pulse.

14. Method according to claim 12, characterized in that it further comprises: (a) placing four plate assemblies in the wall of the logging tool, where the plate assemblies are offset azimuthally by substantially 90 degrees, and (b) using the four plate assemblies to generate a quadrupole acoustic pulse.

15. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises placing the plate assembly in a pressure housing (84) which is placed in the recess.

16. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises aligning the plates axially and azimuthally in the plate assembly.

17. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises joining the plates to intermediate layers of conductive material (60).

18. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises dimensioning the plates to obtain a specific mid-frequency signal from the plate.

19. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises polarizing the plates in a thickness mode.

20. Method according to claim 11, characterized in that it further comprises configuring the plates as striped plates (62).